超磁致伸缩材料的动态特性

超磁致伸缩材料的动态特性

由于其超磁致膨胀系数远远超过普通铁磁材料，因此得名。国外学者已经在航空航天、军工科技等众多领域开发出上千种产品;国内也设计出一些超磁致伸缩器件。根据超磁致伸缩材料的形状可将现有产品分为棒型器件和薄膜型器件两类,其中以棒型超磁致伸缩材料为核心的超磁致伸缩致动器是该类型材料在机-电转换领域应用的最基本器件,其结构原理,如图1所示。在开发产品的同时,科研工作者们逐渐认识到了超磁致伸缩材料除具有磁致伸缩特性外,还具有如下基本物理特性:1)多场耦合特性。超磁致伸缩材料在交变磁场驱动下会受到力、磁、热等多种物理场的非线性耦合作用。首先,将磁能转化为机械能同时,外力、磁畴间的内应力、晶格之间摩擦力也反过来影响超磁致伸缩材料内部的磁化状态,即存在磁-机械正逆耦合效应。其次,温度升高引发热扰动产生的热磁耦合使得饱和磁化值降低,从而引起了λ的减小。另外,温度升高后材料产生的应变使宏观上表现为材料体积上的膨胀对超磁致伸缩致动器的输出特性影响也较为严重。2)磁滞特性。超磁致伸缩材料具有很强的磁滞非线性:从细观层面讲,在磁化过程中磁畴主要有壁移和畴转两种运动方式。铁磁材料具有的缺陷对壁移形成了阻滞,使得壁移运动不可逆;外部磁场使得磁畴转向低能量的方向,此过程也是不可逆的,这两者导致了铁磁材料固有的磁滞非线性。超磁致伸缩材料很强的非线性耦合特性、磁滞特性以及超磁致伸缩致动器的复杂动态特性使得很难对超磁致伸缩致动器输出量实现精确控制,从而大大限制了超磁致伸缩致动器在工程实际中的进一步推广应用。所以亟需建立既能清晰地描述超磁致伸缩致动器工作原理,又能为超磁致伸缩致动器的控制方法的设计工作给予支撑的数学模型。1超磁致伸材料物理特性棒状超磁致伸缩材料是超磁致伸缩致动器的核心部件,因此深入了解棒型超磁致伸缩材料物理特性是研究超磁致伸缩致动器动力学特性的基础。超磁致伸缩材料的多场耦合特性和磁滞特性是其磁致伸缩性能的主要影响因素,同时这两个物理特性也是对该类型材料研究和应用过程中最难掌握的部分。1.1超磁致伸管磁-机耦合模型超磁致伸缩材料多场耦合特性中,磁-机耦合特性是研究最早,也是理论成果最多的部分。起初,广泛用第一类压磁方程描述材料磁-机耦合特性,该方程在假设恒温的前提下将磁-机耦合特性描述为线性方程,并将该特性用压磁系数d33度量超磁致伸缩材料的磁-机耦合特性。1991年,Moffet通过实验证明了压磁系数d33、常应力磁导率μ33等在压磁方程中常被看作是常数的物理量对磁场和外应力的变化有复杂的依赖性。之后,开始利用Gibbs自由能泰勒展开的方式对超磁致伸缩材料进行热力学层面上的描述,相继出现了SS模型、D-H模型、HT模型、DDS模型和Z-L模型等。Carman等提出了一个一维非线性耦合模型(SS模型),将磁-机耦合特性表述为ε=ε(σ,H)和B=B(σ,H),该模型中磁致伸缩应变正比于磁场平方,并包含了应力σ和磁场强度H的耦合项。SS模型在低磁场情况下能够反映超磁致伸缩材料的驱动情况,但无法描述强磁场下驱动状况以及磁饱和现象。针对这一不足,Duenas等对SS模型进行了改进,用磁化强度M来代替磁场强度H,得到一个表述为ε=ε(σ,M)和H=H(σ,M)的模型(D-H模型),这个模型可以初步表述磁饱和现象,但对高场情况下的材料驱动状况描述仍然有比较大的偏差。万永平、方岱宁等提出双曲正切模型(HT模型)和磁畴翻转密度模型(DDS模型),这两个模型使用双曲正切函数tanh(x)来表示磁饱和现象,较D-H模型更好地表述磁饱和现象。郑晓静、刘信恩等在引入微观机制的情况下建立了Z-L模型,此模型在低、中、高场下均能较好描述磁-机耦合特性。随着对超磁致伸缩材料温度特性实验研究不断深入,开始考虑温度的作用下的多场耦合建模工作。考虑到上述磁-机耦合模型的缺陷,在D-H模型中就考虑了温度参数,但由于材料复杂的温度特性,这个参数无法确定。孙乐等建立了一个考虑温度效应的Z-L模型。该模型仍然通过Gibbs自由能泰勒展开的方式,并对反映温度-应力以及温度-应力-磁场的耦合项进行有条件的保留。经过与实验数据对比,该模型比不考虑温度效应的Z-L模型能更准确地反映超磁致伸缩材料驱动时的真实状况。值得注意的是,SS模型、D-H模型、Z-L模型以及考虑温度的Z-L模型都是三维本构模型,将这些三维模型退化为一维模型即可描述棒型超磁致伸缩材料的输出特性。但总体来说,至今仍未有清晰的关于超磁致伸缩材料温度特性的理论解释,所以全面考虑热、磁、力等物理量的多场耦合建模成果也较少。1.2手段描述的神经网络磁滞模型目前,磁滞建模的主要成果有:通过纯数学手段描述的Preisach模型和神经网络磁滞模型;基于磁畴理论的J-A模型以及从材料热力学层面研究的自由能磁滞模型。1.2.1基于动态转移模型的超磁致伸缩系统优化Preisach于1935年提出该模型,之后逐渐演变为一种纯数学手段,对某种材料进行Preisach建模的主要工作是确定与物理本质无关的Preisach算子。在超磁致伸缩材料研究方面,Restorff等首先提出了该类型材料的Preisach磁滞模型,但没有考虑磁滞动态特性;鉴于此,TanXiaobo提出了一个新的动态Preisach磁滞模型。程建华在研究Preisach迟滞模型擦除属性的基础上得到了迟滞预测的擦除算法,并结合擦除算法建立了一个改进的Preisach迟滞模型,该模型可应用于超磁致伸缩材料的前馈控制。由于超磁致伸缩材料磁滞特性随输入频率的变化而产生明显变化,Preisach模型仅限于描述准静态或者低频驱动情况。同时,该模型产生大量非物理参数从而导致控制执行时间较长的缺点,而且该模型无法揭示物理本质。1.2.2j-a模型与z-l模型的结合在基于畴壁理论的一类模型中,J-A模型最具实用性和代表性。此模型是在Jiles和Atherton研究基础上,通过不断修正完善得到的一种铁磁磁滞理论。在提出J-A模型之后,Jiles和Sablik又分别在考虑磁滞损耗和涡流损耗、考虑磁-机耦合效应等的基础上对模型进行了几次修正,使修正后的J-A模型不但可以描述材料在中低频率交变磁场驱动下的磁滞效应,而且能从微观层面描述磁-机耦合现象。Calkins等建立了基于J-A模型的新磁滞模型,该模型可以比较好的描述低频激励下输入电流与输出位移之间的磁滞行为。郑小静等将J-A模型与Z-L模型建模思想有机地融合起来,建立考虑温度的新模型,因而该模型能够更真实地描述超磁致伸缩材料磁滞现象。为了准确描述铁磁材料磁滞特性,J-A模型不仅涉及许多物理参数,而且模型函数表达式也比较复杂。但这些参数以及模型函数一旦确定后,就可以较好地从细观层面描述超磁致伸缩材料的磁滞现象。1.2.3动态动态磁滞模型Smith运用Helmholta-Gibbs自由能关系和统计学分布理论提出了自由能磁滞模型。该模型只是在温度不变和准静态驱动为假设的前提下模拟了中、高驱动强度下的输入磁场与输出应变间的磁滞非线性。鉴于以上不足,田春提出了一种考虑涡流效应的动态自由能磁滞模型。自由能磁滞模型的优点是所涉及参数较少,模型也较简单。但是现有的建模成果都是在不考虑温度的前提下提出的,故无法很好地描述超磁致伸缩器件的实际工作状况。1.2.4神经网络的应用神经网络对复杂的非线性系统具有充分的学习性和适应性,可以充分逼近任意的磁滞非线性映射关系。基于这个优点,开始把神经网络用于磁滞特性模拟的研究。孙英在不计温度变化的前提下,建立了超磁致伸缩材料神经网络的动态磁滞模型,可以描述较高频率驱动下的位移输出变化规律。虽然神经网络磁滞模型在描述磁滞方面展现了巨大的潜力,但是该模型不能表现材料的工作机理,神经网络磁滞模型必须在准确地获得超磁致伸缩磁滞实验数据的基础上才能建立。2基于j-a模型的致动器动力学建模超磁致伸缩致动器主要利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性,将电能最终转换为机械能。但在进行驱动控制时,发现超磁致伸缩致动器的输出特性表现比超磁致伸缩材料输出特性更为复杂。所以从工程应用角度讲,仅对磁致伸缩材料多场耦合特性和磁滞特性研究的理论成果尚需拓展。Calkins首先研究了常应力下应力对超磁致伸缩致动器特性的影响。但致动器预压机构所提供的预压力是非线性变化的,这种变化使超磁致伸缩材料磁化强度变化,也进一步导致了输出非线性。于是Calkins等建立了基于J-A模型的致动器磁滞模型,该模型可以较好地描述准静态下的应力变化与输出特性。袁惠群等通过实验数据分析了碟片弹簧(常见的超磁致伸缩致动器预压元件)非线性输出对致动器动态特性的影响。DavinoD等建立了超磁致伸缩致动器的动态模型,此模型虽然考虑了预压应力变化,但仍不足以描述预压力实际变化状况。鉴于此,李成英等依据碟片弹簧刚度变化特性,将碟片弹簧的工作区域进行非对称分段,并描述了碟片弹簧非对称分段对致动器动力学特性的影响,该方法简化了考虑预应力变化的超磁致伸缩致动器动力学模型,为致动器的控制策略设计提供了帮助。黄文美等在考虑涡流效应和应力变化的前提下对超磁致伸缩致动器进行动力学建模。ThomasAB等通过数值模拟的方法分析了致动器驱动状态下温升和应力变化对超磁致伸缩器件的影响特性。同时,孙华刚等也通过数值模拟的方法研究了致动器在一定条件下存在的混沌特性,得出换能器系统在一定的等效弹簧刚度、阻尼系数作用下存在倍周期、倒倍周期分岔现象。贾振元等将超磁致伸缩棒作为粘弹性杆连续系统,将超磁致伸缩棒在磁场驱动下产生的应变等效为磁-机械转换等效力,建立了致动器的一维波动方程,较清晰地描述了致动器的动态工作特性。以上动力学建模工作均是在分析超磁致伸缩致动器结构特点和工作时的动态特征基础上进行的,比单纯对超磁致伸缩材料的研究工作考虑了更多的影响因素。由于涉及参数较多,动力学模型更显复杂。但基于以上建模成果所设计的控制策略实现了对输出性能的初步控制,为超磁致伸缩致动器在精密制造以及精密流体控制等领域的应用奠定了理论基础。3超磁致伸材料动力学特性的研究超磁致伸缩材料虽然性能优异,但其严重的非线性特征仍然制约着实际应用的深度和广度。为此,应从多种角度对超磁致伸缩材料以及器件进行建模研究,以期指导超磁致伸缩器件的开发工作。综合上述研究成果可知,国内在超磁致伸缩材料以及超磁致伸缩器件理论研究方面已经进行了很多探究,但是许多方面仍然值得探究:1)超磁致伸缩材料的一个重要优点是高速响应,但随着驱动频率的增大,超磁致伸缩材料的磁滞特性、多场耦合特性等性能以及超磁致伸缩致动器机械连接结构动力学特性都会产生改变。迄今为止,超磁致伸缩材料在高频驱动下的物理特性以及物理机理都尚未得到清晰的解释,致动器机械连接件高频运动状态下的动态特性也研究得不够全面,还没有提出适合于高频状态的并得到广泛验证的超磁致伸缩致动器动力学模型。因此,开展超磁致伸缩材料动力学特性随频率的变化规律研究非常必要。2)磁滞是铁磁材料无法避免的特性,需要通过设计有效地控制手段来弥补这种非线性。从控制策略,尤其是高频驱动时控制策略的设计角度讲,磁滞模型必须做到简洁而且有效,但现有的几种磁滞模型都很难达到这种要求。其中,J-A模型以及改进型最能接近真实地模拟材料在低频驱动磁场下的动态特性,但该模型涉及太多的物理参数。相反,涉及参数相对较少的自由能模型和Preisach模型只能模拟准静态且恒温情况下的磁滞特性。因此